Nanomatériaux en carbure de silicium

Nanomatériaux en carbure de silicium

Les nanomatériaux en carbure de silicium (nanomatériaux sic) se réfèrent à des matériaux composés decarbure de silicium (sic)avec au moins une dimension dans l'échelle nanométrique (généralement définie comme 1-100 nm) dans un espace tridimensionnel. Les nanomatériaux en carbure de silicium peuvent être classés en structures zéro dimension, unidimensionnelles, bidimensionnelles et tridimensionnelles selon leur structure.

Nanostructures zéro dimensionnelsont des structures dont toutes les dimensions sont à l'échelle nanométrique, comprenant principalement des nanocristaux solides, des nanosphères creuses, des nanocages creux et des nanosphères de coque à noyau.

Nanostructures unidimensionnellesReportez-vous aux structures dans lesquelles deux dimensions sont confinées à l'échelle nanométrique dans un espace tridimensionnel. Cette structure a de nombreuses formes, notamment des nanofils (centre solide), des nanotubes (centre creux), des nanobelts ou des nanobelts (section transversale rectangulaire étroite) et des nanoprems (section transversale en forme de prisme). Cette structure est devenue au centre de la recherche intensive en raison de ses applications uniques en physique mésoscopique et en fabrication d'appareils à l'échelle nanométrique. Par exemple, les porteurs dans des nanostructures unidimensionnels ne peuvent se propager que dans une direction de la structure (c'est-à-dire la direction longitudinale du nanofil ou du nanotube), et peuvent être utilisés comme interconnexions et appareils clés dans la nanoélectronique.

Nanostructures bidimensionnelles, qui n'ont qu'une seule dimension à l'échelle nanométrique, généralement perpendiculaire à leur plan de couche, telles que les nanofeuilles, les nanofeuilles, les nanofeuilles et les nanosphères, ont récemment reçu une attention particulière, non seulement pour la compréhension de base de leur mécanisme de croissance, mais aussi pour l'exploration de leurs applications potentielles dans les émetteurs de lumière, les capteurs, les cellules solaires, etc.

Nanostructures tridimensionnellessont généralement appelés nanostructures complexes, qui sont formées par une collection d'une ou plusieurs unités structurelles de base en zéro dimension, unidimensionnelle et bidimensionnelle (telles que les nanofils ou les nanorodes reliés par des jonctions monocristallines), et leurs dimensions géométriques globales sont à l'échelle nanométrique ou micromètre. Ces nanostructures complexes avec une surface élevée par unité de volume offrent de nombreux avantages, tels que de longs trajets optiques pour une absorption de lumière efficace, un transfert de charge interfacial rapide et des capacités de transport de charge accordables. Ces avantages permettent aux nanostructures tridimensionnelles de faire progresser la conception dans les futures applications de conversion et de stockage d'énergie. Des structures 0D à 3D, une grande variété de nanomatériaux ont été étudiés et progressivement introduits dans l'industrie et la vie quotidienne.

Méthodes de synthèse des nanomatériaux SIC

Les matériaux zéro dimension peuvent être synthétisés par méthode de fusion chaude, méthode de gravure électrochimique, méthode de pyrolyse laser, etc.Sic solideLes nanocristaux allant de quelques nanomètres à des dizaines de nanomètres, mais sont généralement pseudo-sphériques, comme le montre la figure 1.

Figure 1 TEM Images de nanocristaux β-SIC préparés par différentes méthodes

(a) synthèse solvothermale [34]; (B) Méthode de gravure électrochimique [35]; (c) traitement thermique [48]; (d) pyrolyse laser [49]

Dasog et al. Nanocristaux β-SIC sphériques synthétisés avec une taille contrôlable et une structure claire par réaction à double décomposition à l'état solide entre les poudres SiO2, Mg et C [55], comme le montre la figure 2.

Figure 2 Images FESEM de nanocristaux SIC sphériques avec différents diamètres [55]

(a) 51,3 ± 5,5 nm; (B) 92,8 ± 6,6 nm; (c) 278,3 ± 8,2 nm

Méthode de phase de vapeur pour la croissance des nanofils SIC. La synthèse en phase gazeuse est la méthode la plus mature pour former des nanofils SIC. Dans un processus typique, les substances vapeur utilisées comme réactifs pour former le produit final sont générées par évaporation, réduction chimique et réaction gazeuse (nécessitant une température élevée). Bien que la température élevée augmente la consommation d'énergie supplémentaire, les nanofils SIC cultivés par cette méthode ont généralement une intégrité cristalline élevée, des nanofires / nanorodes clairs, des nanoprems, des nanoneedles, des nanotubes, des nanobelts, des nanocables, etc., comme le montre la figure 3.

Figure 3 Morphologies typiques des nanostructures SIC unidimensionnelles 

(a) Réseaux de nanofils sur les fibres de carbone; (b) nanofils ultralong sur les balles ni-si; c) nanofils; (d) nanoprémes; (E) nanobamboo; (f) nanoneedles; g) nanobones; H) nanochaines; (i) nanotubes

Méthode de solution pour la préparation des nanofils SIC. La méthode de solution est utilisée pour préparer des nanofils SIC, ce qui réduit la température de réaction. La méthode peut inclure le cristallisation d'un précurseur de phase de solution par une réduction chimique spontanée ou d'autres réactions à une température relativement douce. En tant que représentants de la méthode de la solution, la synthèse solvothermale et la synthèse hydrothermale ont été couramment utilisées pour obtenir des nanofils SiC à basse température.

Les nanomatériaux bidimensionnels peuvent être préparés par des méthodes solvothermales, des lasers pulsés, une réduction thermique du carbone, une exfoliation mécanique et un plasma micro-ondes amélioréCVD. Ho et al. a réalisé une nanostructure SIC 3D sous la forme d'une fleur de nanofil, comme le montre la figure 4. L'image SEM montre que la structure en forme de fleur a un diamètre de 1-2 μm et une longueur de 3-5 μm.

Figure 4 Image SEM d'une fleur de nanofil de Sic en trois dimensions

Performance des nanomatériaux sic

Les nanomatériaux SIC sont un matériau céramique avancé avec d'excellentes performances, qui possède de bonnes propriétés physiques, chimiques, électriques et autres.

✔ Propriétés physiques

Haute dureté: la microdureté du carbure de nano-silicium se situe entre le Corundum et le diamant, et sa résistance mécanique est plus élevée que celle de Corundum. Il a une résistance à l'usure élevée et une bonne lubrification.

Haute conductivité thermique: le carbure de nano-silicium a une excellente conductivité thermique et est un excellent matériau conducteur thermique.

COEFFICATION DE LA DÉPANSION THERMIQUE: Cela permet au carbure de nano-silicium de maintenir une taille et une forme stables dans des conditions de température élevée.

Surface spécifique élevée: l'une des caractéristiques des nanomatériaux, il est propice à l'amélioration de son activité de surface et de ses performances de réaction.

✔ Propriétés chimiques

Stabilité chimique: le carbure de nano-silicium a des propriétés chimiques stables et peut maintenir ses performances inchangées dans divers environnements.

Antioxydation: il peut résister à l'oxydation à des températures élevées et présente une excellente résistance à la température élevée.

✔Propriétés électriques

Bandgap élevé: la bande interdite élevée en fait un matériau idéal pour fabriquer des appareils électroniques haute fréquence, haute puissance et à basse énergie.

Mobilité élevée de saturation des électrons: elle est propice à la transmission rapide des électrons.

✔Autres caractéristiques

Strong Radiation Resistance: il peut maintenir des performances stables dans un environnement de rayonnement.

Bonnes propriétés mécaniques: il a d'excellentes propriétés mécaniques telles que le module élastique élevé.

Application des nanomatériaux SIC

Appareils électroniques et semi-conducteurs: En raison de ses excellentes propriétés électroniques et de sa stabilité à haute température, le carbure de nano-silicium est largement utilisé dans les composants électroniques de haute puissance, les dispositifs à haute fréquence, les composants optoélectroniques et autres champs. Dans le même temps, il est également l'un des matériaux idéaux pour fabriquer des appareils semi-conducteurs.

Applications optiques: Le carbure de nano-silicium a une large bande interdite et d'excellentes propriétés optiques, et peut être utilisée pour fabriquer des lasers, des LED, des dispositifs photovoltaïques de haute performance, etc.

Pièces mécaniques: Profitant de sa forte résistance à la dureté et à l'usure, le carbure de nano-silicium a une large gamme d'applications dans la fabrication de pièces mécaniques, telles que des outils de coupe à grande vitesse, des roulements, des joints mécaniques, etc., ce qui peut considérablement améliorer la résistance à l'usure et la durée de vie des pièces.

Matériaux nanocomposites: Le carbure de nano-silicium peut être combiné avec d'autres matériaux pour former des nanocomposites pour améliorer les propriétés mécaniques, la conductivité thermique et la résistance à la corrosion du matériau. Ce matériau nanocomposite est largement utilisé dans l'aérospatiale, l'industrie automobile, le champ d'énergie, etc.

Matériaux structurels à haute température: Nanocarbure de siliciumA une excellente stabilité à haute température et une résistance à la corrosion, et peut être utilisée dans des environnements à haute température extrême. Par conséquent, il est utilisé comme matériau structurel à haute température dans l'aérospatiale, la pétrochimie, la métallurgie et d'autres champs, comme la fabricationfours à haute température, tubes de fourne, doublures du four, etc.

Autres applications: Le carbure de nano silicium est également utilisé dans le stockage d'hydrogène, la photocatalyse et la détection, montrant de larges perspectives d'application.